Ethernet in Ringstrukturen

Schrittweise nähert sich das Industrial Ethernet an die Anforderungen im Automatisierungsbereich an. Ursprünglich ist Ethernet als kollisionsbehaftetes System für Rechnernetze entstanden. Datenübertragung fand auf einem einzigen Kanal, dem so genannten Ether statt, womit jeder Rechner das Netz für sich in Anspruch nehmen und damit alle anderen Rechner blockieren konnte. Erste Lösungsansätze der Problematik entstanden, als Bridge-Elemente ein lokales Trennen von Netzen in Subnetze ermöglichten. Die Technik der so genannten transparenten Brücke (engl. transparent bridge) entwickelte sich weiter. Heutige Netzwerkswitches ermöglichen eine Trennung jedes angeschlossenen Rechners vom Netz, um die Daten direkt vom Sender zum Empfänger zu übertragen. Um Switches miteinander zu verbinden, werden spezielle Algorithmen, wie das vom IEEE standardisierte Spanning-Tree-Protokoll (STP) und seine Weiterentwicklung Rapid-Spanning-Tree-Protokoll (RSTP) verwendet. Diese Protokolle sammeln Informationen über die Netzwerkstruktur und bilden so einen quasi optimalen, eindeutigen Netzwerkbaum. Erst durch diese Protokolle ist es möglich, redundante Verbindungen mit Standard-Ethernettechnik aufzubauen. Das Problem bei der Verwendung der vom IEEE geschaffenen Standards sind die relativ langen Zeitspannen, die z.B. das STP braucht um eine Unterbrechung von Verbindungen zu erkennen. Zusätzlich wird eine gewisse Zeit benötigt, um die neue Baumstruktur zu errechnen und allen Switches im Netzwerk mitzuteilen. Hier liegt auch der Vorteil des RSTP, das trotz sich veränderndem Netzwerkbaum immer noch Daten an nicht betroffene Teile des Netzes übermitteln kann. Bei STP hingegen ist das gesamte Netz bis zur Aktualisierung aller Switches unbenutzbar. Die maximalen Ausfallzeiten können bei RSTP trotzdem drei Sekunden betragen. Im industriellen Bereich macht es Sinn, Netzwerke nicht als Baum-, sondern als Ringstruktur aufzubauen. Dadurch kann automatisch Redundanz gewonnen werden. Es können optimierte Algorithmen verwendet werden, deren Aufgabe es nicht mehr ist, einen Netzwerkbaum zu errechnen, sondern bei Unterbrechungen auf einen redundanten Ring umzuschalten oder Pakete einfach in die andere Richtung durch den Ring zu schicken. Anders als beim Token-Ring-Verfahren kann es beispielsweise ermöglicht werden, Datenübertragungen an verschiedenen Teilen des Rings gleichzeitig durchzuführen, ohne dass Kollisionen die Geschwindigkeit beeinflussen. Momentan arbeitet eine Projektgruppe des IEEE an der Verwirklichung eines Standards für Ethernet-Ringstrukturen. Das Übertragungsverfahren IEEE 802.17b soll auf dem Resilient-Packet-Ring-Standard (RPR) sowie Ciscos-Spatial-Reuse-Protokoll (SRP) basieren. Beide Standards sind für Ringstrukturen mit großen Ausmaßen wie im MAN- und WAN-Bereich gedacht und enthalten Leistungen wie prioritätengesteuerte Übertragung, schnelle Umschaltung auf einen Backup-Ring (so genanntes \’ring wrapping\‘), Fehlererkennung und aktive, prioritätsgesteuerte Auslastungsregelung. Leider ist der Standardisierungsprozess noch im Gange. Einige Produzenten haben aus diesem Grund proprietäre Protokolle entwickelt. Zu nennen sind hier z.B. die Firma Hirschmann mit dem Hiper-Ring oder die taiwanesische Firma Moxa, die einen ähnlichen Ansatz mit dem Moxa-Turbo-Ring anbietet. Der Hiper-Ring der Firma Hirschmann garantiert Ausfallzeiten von <500ms. Hierfür wird alle 100ms ein so genanntes Watchdogpaket durch den Ring geschickt. Werden drei dieser Pakete nacheinander nicht beantwortet, erkennt der Ring-Manager die Verbindung als unterbrochen, und es wird der redundante Port freigeschaltet, womit der Ring in die andere Richtung genutzt werden kann. Um den Hiper-Ring nutzen zu können, müssen allerdings alle Geräte des Rings dieses Protokoll unterstützen. Die Fehlererkennung von RSTP funktioniert ähnlich, wobei hier Zeiten von ein bis zehn Sekunden für das Senden von \'Hello-Paketen\' vorgesehen sind. Auch RSTP wird nach drei nicht empfangenen Paketen den Ausfall der Verbindung erkennen und dann seinen Baum neu konfigurieren. Allerdings ist es bei modernen Switches wie dem EtherRail Switch der Firma Yacoub Automation GmbH möglich, diese Zeit zu justieren und entsprechend der Ausdehnung des Netzwerks und der Anzahl von verwendeten Switches kleinere Werte zu benutzen. Andere Optimierungsmöglichkeiten sind beispielsweise das Priorisieren der Geräte, wodurch der Hauptswitch (der so genannte Root-Switch des RSTP-Algorithmus) an bestimmte Stellen im Netz platziert werden kann. Solche Einstellmöglichkeiten, die z.B. auch Prioritätenvergabe ermöglichen, sind häufig durch Netzwerkmanagement per Webbrowser sowie SNMP möglich. Außerdem können viele Geräte per seriellem Terminal konfiguriert werden. Die Yacoub Automation GmbH stellt auf der SPS/ IPC/Drives 2006 auch Switches vor, die RSTP-kompatibel sind, aber zusätzlich schnellere maximale Ausfallzeiten erreichen können. Hierfür werden einerseits die Sendezeiten der Kontroll-Pakete verkleinert, und andererseits wird eine Optimierung des Algorithmus speziell für Ringstrukturen geschaffen. Durch Kompatibilität zur RSTP kann auch eine teilweise Umrüstung oder Erweiterung existierender Industrial Ethernet, Netzwerke sinnvoll sein. Da eine optimale Konfiguration der Switches für kleine Ausfallzeiten sowie richtige Verteilung von Netzlast in jedem Fall wichtig ist, bietet die Yacoub Automation GmbH mit easyNMS auch eine SNMP-Management Software an. easyNMS ermöglicht es alle Geräte im Netzwerk, die den SNMP-Standard unterstützen von einem zentralen Kontrollrechner aus zu konfigurieren.